DE68906381T2

DE68906381T2 - WARM ENGINE.

Info

Publication number: DE68906381T2
Application number: DE8989110997T
Authority: DE
Inventors: George Sidaway
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2009-06-17
Also published as: CA2019122C; CA2019122A1; EP0402516B1; JPH03130563A; EP0402516A1; US5598704A; DE68906381D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine mit einer Wärmeeingangseinrichtung, einer Arbeitsausgangseinrichtung und zumindestens einem Arbeitsmedium, das in einem geschlossene Zyklus arbeitet.The invention relates to a heat engine with a heat input device, a work output device and at least one working medium that operates in a closed cycle.

Eine Wärmekraftmaschine ist als ein zyklisch arbeitendes System definiert, über dessen Begrenzung hinweg lediglich Wärme und Arbeit fließen. Ein typisches Beispiel für eine Wärmekraftmaschine ist ein Kraftwerk, das als Arbeitsmedium oder -mittel Wasser einschließt, das stetig durch einen Kessel, eine Turbine, einen Kondensator und dann über eine Speisepumpe zurück zum Kessel strömt, wobei ein geschlossener Zyklus ausgeführt wird.A heat engine is defined as a cyclically operating system over whose boundary only heat and work flow. A typical example of a heat engine is a power plant that includes as a working fluid or medium water, which flows continuously through a boiler, a turbine, a condenser and then back to the boiler via a feed pump, thus completing a closed cycle.

Dieses Kraftwerk steht mit seiner Umgebung über den Wärmeeingang an den Kessel, den Arbeitsausgang von der Turbine, den Wärmeausgang von dem Kondensator und den Arbeitseingang an die Speisepumpe in Übergangsbeziehung. Für ein derartiges Kraftwerk ist das erste thermodynamische Gesetz gültig, d.h. daß das zyklische Integral eines Differentials der Menge der dem Wasser zugeführten Wärme gleich dem zyklischen Integral des Differentials der Menge an über den Arbeitsausgang gelieferten Arbeit ist. Weil bei derartigen Systemen eine beträchtliche Wärmemenge von dem System über den Kondensator abgeleitet wird, ist der Wirkungsgrad derartiger Wärmekraftmaschinen niedrig.This power plant is in transitional relationship with its environment via the heat input to the boiler, the work output from the turbine, the heat output from the condenser and the work input to the feed pump. For such a power plant, the first law of thermodynamics applies, i.e. that the cyclic integral of a differential of the amount of heat supplied to the water is equal to the cyclic integral of the differential of the amount of work supplied via the work output. Because in such systems a considerable amount of heat is removed from the system via the condenser, the efficiency of such heat engines is low.

Die von der vorliegenden Erfindung zu lösende Aufgabe besteht in der Schaffung einer Wärmekraftmaschine sowie eines Verfahrens zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine, die bzw. das einen wesentlich höheren Wirkungsgrad ergibt.The problem to be solved by the present invention is to create a heat engine and a method for operating a heat engine which results in a significantly higher efficiency.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in patent claim 1.

Für die Wärmekraftmaschinen der vorliegenden Erfindung ist das zyklische Integral des Differentials der Wärmemenge, die dem zumindestens einem Arbeitsmedium über die Wärmeeingangseinrichtung zugeführt wird, dividiert durch die absolute Temperatur des zumindestens einen Arbeitsmediums positiv, und weiterhin ist das zyklische Integral des Differentials der dem zumindestens einen Arbeitsmedium zugeführten Wärmemenge gleich dem zyklischen Integral des Differentials der über den Arbeitsausgang gelieferten Arbeitsmenge. Die Wärmekraftmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung weisen einen sehr hohen Wirkungsgrad auf und können dennoch eine ziemlich einfache und robuste Konstruktion aufweisen.For the heat engines of the present invention, the cyclic integral of the differential of the amount of heat supplied to the at least one working medium via the heat input device divided by the absolute temperature of the at least one working medium is positive, and furthermore the cyclic integral of the differential of the amount of heat supplied to the at least one working medium is equal to the cyclic integral of the differential of the amount of work supplied via the work output. The heat engines according to the present invention have a very high efficiency and can still have a fairly simple and robust construction.

Das erste Arbeitsmedium und die zweite Arbeitssubstanz, die in dem geschlossenen Zyklus arbeiten, können entweder identisch sein, oder es können unterschiedliche Arbeitssubstanzen vorgesehen sein.The first working medium and the second working substance operating in the closed cycle can either be identical or different working substances can be provided.

Gemäß einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine umfaßt der Eigenschaftsmodulator Einrichtungen zum zyklischen Komprimieren und Expandieren des ersten Arbeitsmediums des Eigenschaftsmodulators.According to one embodiment of the heat engine, the property modulator comprises devices for cyclically compressing and expanding the first working medium of the property modulator.

Die Eigenschaft dieser zweiten Arbeitssubstanz, die zyklisch von dem Eigenschaftsmodulator geändert wird, kann deren Temperatur sein.The property of this second working substance, which is cyclically changed by the property modulator, can be its temperature.

Diese zweite Arbeitssubstanz kann durch zumindestens ein thermoelektrisches Element gebildet sein, dessen eine Verbindungsstelle der zyklisch geänderten Temperatur des ersten Arbeitsmediums des Eigenschaftsmodulators ausgesetzt ist, während die andere Verbindungsstelle des thermoelektrischen Elementes in einem adiabatischen Behälter eingeschlossen ist, wobei der Ausgang des thermoelektrischen Elementes den Arbeitsausgang der Wärmekraftmaschine bildet.This second working substance can be formed by at least one thermoelectric element, one connection point of which is exposed to the cyclically changed temperature of the first working medium of the property modulator, while the other connection point of the thermoelectric element is enclosed in an adiabatic container, the output of the thermoelectric element forming the working output of the heat engine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Wärmekraftmaschine umfaßt der Energiewandler einen Magnetkreis, der einen Abschnitt einschließt, der die zweite Arbeitssubstanz bildet, die eine sich mit der Temperatur ändernde magnetische Induktion aufweist wobei Magnetkreis von einer Wicklung umgeben ist, deren Anschlüsse die Arbeitsausgangseinrichtung bilden.According to a further embodiment of the heat engine, the energy converter comprises a magnetic circuit which includes a portion which forms the second working substance which has a magnetic induction which changes with temperature wherein the magnetic circuit is surrounded by a winding, the terminals of which form the working output device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Arbeitssubstanz das Dielektrikum von zumindestens einem geladenen Kondensator sein, wobei das Dielektrikum eine sich mit der Temperatur ändernde Dielektrizitätskonstante aufweist. Ein zweiter geladener Kondensator mit einer sich bei ändernden Temperaturen relativ stabilen Dielektrizitätskonstante ist mit seiner ersten Elektrode mit der ersten Elektrode des ersten Kondensators verbunden, während die zweiten Elektroden der ersten und zweiten Kondensatoren die Arbeitsausgangseinrichtung bilden.According to a further embodiment, the second working substance can be the dielectric of at least one charged capacitor, the dielectric having a dielectric constant that varies with temperature. A second charged capacitor having a dielectric constant that is relatively stable at varying temperatures is connected by its first electrode to the first electrode of the first capacitor, while the second electrodes of the first and second capacitors form the working output device.

Es ist weiterhin möglich, daß die Eigenschaft der zweiten Arbeitssubstanz, die zyklisch durch den Eigenschaftsmodulator geändert wird, deren Druck ist. In diesem Fall kann die zweite Arbeitssubstanz des Energiewandlers ein piezoelektrisches Material sein, das dem sich zyklisch ändernden Druck des ersten Arbeitsmediums des Eigenschaftsmodulators ausgesetzt ist. Weiterhin kann die zweite Arbeitssubstanz des Energiewandlers ein magnetisches Material mit einer magnetischen Induktion sein, die sich mit dem Druck ändert.It is further possible that the property of the second working substance that is cyclically changed by the property modulator is its pressure. In this case, the second working substance of the energy converter can be a piezoelectric material that is exposed to the cyclically changing pressure of the first working medium of the property modulator. Furthermore, the second working substance of the energy converter can be a magnetic material with a magnetic induction that changes with pressure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmekraftmaschine zwei Eigenschaftsmodulatoren auf, die antiparallel betrieben werden, so daß die Eigenschaft des ersten Arbeitsmediums jedes Eigenschaftsmodulators zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in dem ersten Eigenschaftsmodulator in einer ersten Richtung und in dem zweiten Eigenschaftsmodulator in der entgegengesetzten Richtung geändert wird, und umgekehrt. Jeder Eigenschaftsmodulator ist mit seinem jeweiligen Energiewandler verbunden.According to a preferred embodiment, the heat engine has two property modulators that are operated in anti-parallel, so that the property of the first working medium of each property modulator is changed at a predetermined time in the first property modulator in a first direction and in the second property modulator in the opposite direction, and vice versa. Each property modulator is connected to its respective energy converter.

Eine ziemlich einfache Ausführungsform des Eigenschaftsmodulators umfaßt einen in einem Zylinder arbeitenden Kolben zum komprimieren und expandieren des ersten Arbeitsmediums.A fairly simple embodiment of the property modulator comprises a piston working in a cylinder for compressing and expanding the first working medium.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden einige Ausführungsformen ohne jede Beschränkung in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:For a better understanding of the present invention, some embodiments are described without any limitation in the following description with reference to the drawings, in which:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,Fig. 1 shows a schematic representation of a heat engine according to the present invention,

Fig. 2 eine praktische Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines thermoelektrischen Elementes als Energiewandler zeigt,Fig. 2 shows a practical embodiment of a heat engine according to the present invention using a thermoelectric element as an energy converter,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines magnetischen Materials zeigt, das eine sich mit der Temperatur und/oder dem Druck ändernde magnetische Induktion aufweist,Fig. 3 shows an embodiment of a heat engine of the present invention using a magnetic material having a magnetic induction that varies with temperature and/or pressure,

Fig. 4 eine Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich den vorhergehenden Ausführungsformen zeigt, die jedoch in ihrem Engergiewandlerabschnitt eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die zwischen piezoelektrischem oder dielektrischem Material eingeschichtet sind,Fig. 4 shows an embodiment of the heat engine according to the present invention similar to the previous embodiments, but having in its energy converter section a plurality of electrodes sandwiched between piezoelectric or dielectric material,

Fig. 5 eine Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der zwei Eigenschaftsmodulatoren und Energiewandler antiparallel betrieben werden,Fig. 5 shows an embodiment of the heat engine according to the present invention, in which two property modulators and energy converters are operated anti-parallel,

Fig. 6 eine Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die zwei Eigenschaftsmodulatoren umfaßt, die antiparallel betrieben werden und über Rückschlagventile mit einer Turbine zusammenwirken,Fig. 6 shows an embodiment of a heat engine according to the present invention, which comprises two property modulators operated in anti-parallel and interacting with a turbine via check valves,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine mit einer Turbine, einem Energiewandler und einem Kompressor als Eigenschaftsmodulator zeigt.Fig. 7 shows another embodiment of the heat engine with a turbine, an energy converter and a compressor as a property modulator.

In Fig. 1 ist eine grundlegende und schematische Ansicht einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese allgemein mit H bezeichnete Wärmekraftmaschine umfaßt einen Eigenschaftsmodulator und einen Energiewandler, die weiter unten ausführlicher erläutert werden. Der Eigenschaftsmodulator 1 weist eine Arbeitsübertragungs-Eingangseinrichtung 3 und eine Arbeitsübertragungs-Ausgangseinrichtung 4 auf. Der Eigenschaftsmodulator weist weiterhin eine Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 6 sowie eine Wärmeübertragungs- Eingangseinrichtung 5 auf. Wärme Q wird kontinuierlich über den Zyklus von einer äußeren Wärmequelle über eine Wärmeeingangseinrichtung 10 dem Eigenschaftsmodulator zugeführt.In Fig. 1 there is shown a basic and schematic view of an embodiment of the heat engine according to the present invention. This heat engine, generally designated H, comprises a property modulator and an energy converter, which are explained in more detail below. The property modulator 1 has a work transfer input device 3 and a work transfer output device 4. The property modulator further has a heat transfer output device 6 and a heat transfer input device 5. Heat Q is continuously supplied over the cycle from an external heat source via a heat input device 10 to the property modulator.

Der Energiewandler 2 ist mit einer Wärmeübertragungs-Eingangseinrichtung 7, die mit der Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 6 des Eigenschaftsmodulators verbunden ist, und mit einer Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 8 versehen, die mit der Wärmeübertragungs-Eingangsrichtung 5 des Eigenschaftsmodulators verbunden ist. Weiterhin ist der Energiewandler mit einem Arbeitsausgang 20 versehen, der Arbeit W von der Wärmekraftmaschine H aus nach außen abgibt.The energy converter 2 is provided with a heat transfer input device 7, which is connected to the heat transfer output device 6 of the property modulator, and with a heat transfer output device 8, which is connected to the heat transfer input device 5 of the property modulator. Furthermore, the energy converter is provided with a work output 20, which outputs work W from the heat engine H to the outside.

Der Eigenschaftsmodulator 1 umfaßt ein erstes Arbeitsmedium, während der Energiewandler 2 eine zweite Arbeitssubstanz umfaßt. Bei bestimmten Wärmekraftmaschinen können die ersten und zweiten Arbeitsmedien identisch sein.The property modulator 1 comprises a first working medium, while the energy converter 2 comprises a second working substance. In certain heat engines, the first and second working mediums can be identical.

Weil in dem Eigenschaftsmodulator 1 eine Eigenschaft des ersten Arbeitsmediums lediglich zyklisch geändert wird, ist die Summe des Arbeitsübertragungseinganges und des Arbeitsübertragungsausganges an den Einrichtungen 3, 4 über einen Zyklus gleich Null.Because a property of the first working medium is only changed cyclically in the property modulator 1, the sum of the work transfer input and the work transfer output at the devices 3, 4 over a cycle is equal to zero.

Der Eigenschaftsmodulator kann Einrichtungen zum zyklischen Komprimieren und Expandieren des ersten Arbeitsmediums umfassen, wodurch der Druck und/oder die Temperatur des ersten Arbeitsmediums zyklisch geändert wird.The property modulator may comprise means for cyclically compressing and expanding the first working medium, thereby cyclically changing the pressure and/or the temperature of the first working medium.

Weil die Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 6 des Eigenschaftsmodulators und seine Wärmeübertragungs-Eingangseinrichtung 5 mit der Wärmeübertragungs-Eingangseinrichtung 7 bzw. der Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 8 des Energiewandlers 2 verbunden sind, wird die sich zyklisch ändernde Temperatur oder der sich zyklisch ändernde Druck des ersten Arbeitsmediums des Eigenschaftsmodulators 1 auf die zweite Arbeitssyubstanz in dem Energiewandler übertragen. Ein Teil der über die Wärmeübertragungs-Eingangseinrichtung 7 an den Energiewandler gelieferten Wärme wird in diesem in Arbeit am Arbeitsausgang 20 umgewandelt, während der verbleibende Teil der Wärme über die Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 8 an den Eigenschaftsmodulator 1 zurück abgegeben wird.Because the heat transfer output device 6 of the property modulator and its heat transfer input device 5 are connected to the heat transfer input device 7 or the heat transfer output device 8 of the energy converter 2, the cyclically changing temperature or the cyclically changing pressure of the first working medium of the property modulator 1 is transferred to the second working substance in the energy converter. Part of the heat supplied to the energy converter via the heat transfer input device 7 is converted into work at the working output 20, while the remaining part of the heat is returned to the property modulator 1 via the heat transfer output device 8.

Die in dem Energiewandler in Arbeit an seinem Arbeitsausgang 20 umgewandelte und daher nicht an die Wärmeübertragungs-Ausgangseinrichtung 8 des Energiewandlers überführte Wärmemenge wird von der Außenseite der Wärmekraftmaschine über den Wärmeeingang Q an den Eigenschaftsmodulator ersetzt. Daher wird von der Wärmekraftmaschine selbst keine Wärme ausgestoßen, und die gesamte von der äußeren, mit der Wärmeeingangseinrichtung 10 verbundenen Wärmevorratsquelle abgeleitete Wärme wird in Arbeit am Ausgang 20 des Energiewandlers 2 umgewandelt. Ein Teil der Arbeit am Arbeitsausgang kann dem Arbeitsübertragungseingang 3 des Eigenschaftsmodulators 1 zugeführt werden, um beispielsweise Verluste in dem Eigenschaftsmodulator aufgrund von Reibung zu berücksichtigen.The amount of heat converted in the energy converter into work at its work output 20 and therefore not transferred to the heat transfer output device 8 of the energy converter is replaced from the outside of the heat engine via the heat input Q to the property modulator. Therefore, no heat is emitted by the heat engine itself and all the heat derived from the external heat storage source connected to the heat input device 10 is converted into work at the output 20 of the energy converter 2. Part of the work at the work output can be supplied to the work transfer input 3 of the property modulator 1 in order to take into account, for example, losses in the property modulator due to friction.

In Fig. 2 ist eine erste grundlegende Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Eigenschaftsmodulator durch eine Kolben-Zylinder-Baugruppe gebildet, die allgemein mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet ist. Diese Baugruppe umfaßt einen Kolben 12, der über eine Kolbenstange 13 mit einer Kurbelwelle 15 verbunden ist, die die Arbeitsübertragungs-Eingangseinrichtung und die Arbeitsübertragungs-Ausgangseinrichtung des Eigenschaftsmodulators bildet. Die Kurbelwelle 15 ist mit einem Schwungrad 16 versehen. Eine Drehung der Kurbelwelle 15 ruft eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 12 in einem Zylinder 14 hervor, der an seinem Ausßenumfang mit Rippen versehen ist, um den Wärmeübergang von der Wärmequelle Q zu verbessern. Der Energiewandler ist in einem Zylinderkopf 21 angeordnet und bei der Ausführungsform nach Fig. 2 durch eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen oder Thermokreuzen geibildet, die eine erste Verbindungsstelle 23 und eine zweite Verbindungsstelle 24 aufweisen. Die ersten Verbindungsstellen 23 sind einer Arbeitssubstanz ausgesetzt, die bei dieser Ausführungsform das erste Arbeitsmedium und die zweite Arbeitssubstanz des Eigenschaftsmodulators 1 bzw. des Energiewandlers 2 umfaßt. Eine zweite Verbindungsstelle 24 ist in einem adiabatischen Behälter 25 eingeschlossen. Ein Ende des Thermokreuzes ist über Anschluß einrichtungen 26 und einen ersten Abschnitt 22 des Thermokreuzes mit den Verbindungsstellen 23 verbunden, während ein zweiter Abschnitt 28 der Thermokreuze über einen Anschluß 29 mit der zweiten Verbindungsstelle 24 verbunden ist, die mit einem dritten Anschluß 27 verbunden ist. Die Anschlüsse 26 und 27 bilden den Arbeitsausgang des Energiewandlers und können beispielsweise mit einem Transformator und einer Gleichrichtereinheit verbunden sein. Beim Kompressionshub des Kolbens 12 wird die Arbeitssubstanz in dem Zylinder komprimiert, wodurch deren Temperatur erhöht wird. Diese Temperaturerhöhung wird in der ersten Verbindungsstelle 23 der Thermokreuze in eine elektrische Spannung umgewandelt, weil deren andere Verbindungsstelle 24 auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Ein Teil der dem Arbeitsmedium während des Kompressionshubes zugeführten Wärme wird daher in elektrische Energie umgewandelt.In Fig. 2 a first basic embodiment of a heat engine according to the present invention is shown. In this embodiment the property modulator is formed by a piston-cylinder assembly, generally designated by the reference numeral 11. This assembly comprises a piston 12 which is connected via a piston rod 13 to a crankshaft 15 which forms the work transmission input means and the work transmission output means of the property modulator. The crankshaft 15 is provided with a flywheel 16. Rotation of the crankshaft 15 causes a reciprocating movement of the piston 12 in a cylinder 14 which is provided with ribs on its outer circumference in order to improve the heat transfer from the heat source Q. The energy converter is arranged in a cylinder head 21 and in the embodiment according to Fig. 2 is formed by a plurality of thermoelectric elements or thermocrosses which have a first connection point 23 and a second connection point 24. The first connection points 23 are exposed to a working substance which in this embodiment comprises the first working medium and the second working substance of the property modulator 1 or the energy converter 2. A second connection point 24 is enclosed in an adiabatic container 25. One end of the thermocross is connected to the connection points 23 via connection devices 26 and a first section 22 of the thermocross, while a second section 28 of the thermocross is connected via a connection 29 to the second connection point 24 which is connected to a third connection 27. The connections 26 and 27 form the working output of the energy converter and can be connected, for example, to a transformer and a rectifier unit. During the compression stroke of the piston 12, the working substance in the cylinder is compressed, thereby increasing its temperature. This temperature increase is converted into an electrical voltage in the first connection point 23 of the thermocrosses because their other connection point 24 is kept at a constant temperature. Part of the heat supplied to the working medium during the compression stroke is therefore converted into electrical energy.

Bei dem Expansions- oder Dekompressionshub des Kolbens 12 dehnt sich das Arbeitsmedium aus und seine Temperatur sinkt ab. Gleichzeitig wird Wärme Q von der Außenseite über die Rippen des Zylinders hinzugefügt, so daß am Ende des Expansionshubes die Arbeitssubstanz die gleiche Temeratur wie zu Beginn des ersten Kompressionshubes hat. Weiterhin wird beim Expansionshub die Temperatur der Verbindungsstelle 23 der Thermokreuze geändert, diesmal in umgekehrter Richtung, so daß erneut an den Anschlüssen 26 und 27 eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen zu dem Vorzeichen während des Kompressionshubes erzeugt wird.During the expansion or decompression stroke of the piston 12, the working medium expands and its temperature drops. At the same time, heat Q is added from the outside via the ribs of the cylinder, so that at the end of the expansion stroke the working substance has the same temperature as at the beginning of the first compression stroke. Furthermore, during the expansion stroke the temperature of the connection point 23 of the thermocrosses is changed, this time in the opposite direction, so that again a voltage with opposite sign is present at the connections 26 and 27. to the sign generated during the compression stroke.

Weil der durch die Kolben-Zylinder-Anordnung gebildete Eigenschaftsmodulator lediglich eine zyklische Kompression und Expansion des ersten Arbeitsmediums bewirkt, muß deren Kurbelwelle 15 keine Netto-Arbeit zugeführt werden, wobei zum gegenwärtigen Zeitpunkt irgendwelche Reibungsverluste vernachlässigt werden. Daher wird die von der äußeren Wärmequelle Q zugeführte Wärme in elektrische Arbeit an den Anschlüssen 26, 27 umgewandelt.Because the property modulator formed by the piston-cylinder arrangement only causes a cyclic compression and expansion of the first working medium, no net work has to be supplied to its crankshaft 15, whereby any friction losses are neglected at the present time. Therefore, the heat supplied by the external heat source Q is converted into electrical work at the connections 26, 27.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet der Energiewandler Thermokreuze oder thermoelektrische Elemente zum Umwandeln der sich zyklisch ändernden Temperatur des Arbeitsmediums in eleketrische Energie.In the embodiment described above according to Fig. 2, the energy converter uses thermocrosses or thermoelectric elements to convert the cyclically changing temperature of the working medium into electrical energy.

Gemäß einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform könnten abwechselnde Elektroden eines Kondensators, die durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt sind, mit den Anschlüssen 26 und 29 verbunden sein. Das die zweite Arbeitssubstanz in diesem Fall bildende dielektrische Material würde ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante sein, die sich mit der Temperatur ändert. Ein zweiter Kondensator außerhalb der Kolben- Zylinderbaugruppe würde mit einer seiner Elektroden mit einer ersten der abwechselnden Gruppen von Elektroden des einen Teil des Energiewandlers bildenden Kondensators verbunden sein. Die zweite Elektrode des zweiten Kondensators sowie der zweite Satz von Elektroden des ersten Kondensators würde dann den Arbeitsausgang des Energiewandlers bilden. Wenn die Kapazität des ersten Kondensators zyklisch durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante geändert wird, die sich aus der zyklisch ändernden Temperatur der ersten Arbeitssubstanz ergibt, und wenn beide Kondensatoren anfänglich geladen sein würden, so würde eine Wechselspannung längs dieses Arbeitsausganges ähnlich wie bei der Ausführungsform erzeugt, die ein Thermokreuz als zweite Arbeitssubstanz verwendet.According to a further embodiment not shown, alternating electrodes of a capacitor separated from each other by a dielectric material could be connected to the terminals 26 and 29. The dielectric material forming the second working substance in this case would be a material with a dielectric constant that varies with temperature. A second capacitor outside the piston-cylinder assembly would have one of its electrodes connected to a first of the alternating groups of electrodes of the capacitor forming part of the energy converter. The second electrode of the second capacitor as well as the second set of electrodes of the first capacitor would then form the working output of the energy converter. If the capacitance of the first capacitor is cyclically varied by the change in the dielectric constant resulting from the cyclically varying temperature of the first working substance, and if both capacitors were initially charged, an AC voltage would be generated along this working output similar to the embodiment using a thermocross as the second working substance.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gezeigt, die den gleichen Eigenschaftsmodulator wie in Fig. 2 verwendet. Gleiche Teile dieses Eigenschaftsmodulators sind mit identischen Bezugsziffern bezeichnet, so daß keine weitere Beschreibung hiervon erforderlich zu sein scheint. Der Energiewandler umfaßt einen Zylinderkopf, der magnetisches Material 33 einschließt, das die zweite Arbeitssubstanz bildet und eine magnetische Induktion aufweist, die sich mit der Temperatur und/oder dem Druck ändert. Dieses magnetische Material ist Teil eines Magnetkreises, der einen Elektromagneten oder vorzugsweise einen Permanentmagneten 32 mit U-Form umfaßt, dessen freie Enden über Joche mit dem Magnetmaterial in dem Zylinderkopf 31 verbunden sind. Eines der Joche, das Joch 33, ist langgestreckt und von einer Wicklung 34 mit Anschlüssen 36 und 37 umgeben, die den Arbeitsausgang des Energiewandlers bilden. Die sich zyklisch ändernde Temperatur und/oder der Druck des ersten Arbeitsmediums in dem Energiewandler führt zu einer entsprechenden zyklischen Änderung der magnetischen Induktion des magnetischen Materials 33, was dann zu einer sich zyklisch ändernden Spannung an den Anschlüssen 36, 37 der Wicklung 34 führt. Auch in diesem Fall wird die in elektrische Arbeit umgewandelte Wärme durch die Wärme ersetzt, die von einer äußeren externen Wärmequelle Q über den mit Rippen versehenen Zylinder 14 überführt wird.In Fig. 3 there is shown a further embodiment of the heat engine which uses the same property modulator as in Fig. 2. Like parts of this property modulator are designated with identical reference numerals so that no further description thereof seems necessary. The energy converter comprises a cylinder head which encloses magnetic material 33 which forms the second working substance and has a magnetic induction which varies with temperature and/or pressure. This magnetic material is part of a magnetic circuit which comprises an electromagnet or preferably a permanent magnet 32 with a U-shape, the free ends of which are connected via yokes to the magnetic material in the cylinder head 31. One of the yokes, the yoke 33, is elongated and surrounded by a winding 34 with terminals 36 and 37 which form the working output of the energy converter. The cyclically changing temperature and/or pressure of the first working medium in the energy converter leads to a corresponding cyclic change in the magnetic induction of the magnetic material 33, which then leads to a cyclically changing voltage at the terminals 36, 37 of the winding 34. In this case too, the heat converted into electrical work is replaced by the heat transferred from an external heat source Q via the ribbed cylinder 14.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gezeigt, die wiederum den Eigenschaftsmodulator der Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 verwendet.Fig. 4 shows a further embodiment of the heat engine, which again uses the property modulator of the embodiments according to Figs. 2 and 3.

Der Energiewandler umfaßt bei dieser Ausführungsform einen Zylinderkopf 41, der mit Anschlüssen 46 und 47 versehen ist, die an diesem elektrisch isoliert befestigt sind. Der erste Anschluß 46 ist mit einem ersten Satz von Elektroden 43 verbunden, während der Anschluß 47 mit einem zweiten Satz von Elektroden 42 verbunden ist. Zwischen diesen Sätzen von Elektroden 42 und 44 sind Schichten aus piezoelektrischem Material 43 eingeschichtet, das dem sich ändernden Druck des ersten Arbeitsmediums in dem Eigenschaftsmodulator 11 ausgesetzt ist.In this embodiment, the energy converter comprises a cylinder head 41 provided with terminals 46 and 47, which are attached to it in an electrically insulated manner. The first terminal 46 is connected to a first set of electrodes 43, while the terminal 47 is connected to a second set of electrodes 42. Between these sets of electrodes 42 and 44, layers of piezoelectric material 43 are sandwiched, which is exposed to the changing pressure of the first working medium in the property modulator 11.

Bei dieser Ausführungsform kann das piezoelektrische Material als die zweite Arbeitssubstanz betrachtet werden, und das zyklisch koprimierte und expandierte erste Arbeitsmedium überträgt einen Teil seiner Wärme beim Komprimieren des piezoelektrischen Materials auf dieses, und diese Wärme wird in eine elektrische Spannung an den Anschlüssen 46, 47 umgewandelt.In this embodiment, the piezoelectric material can be considered as the second working substance, and the cyclically compressed and expanded first working medium transfers some of its heat to the piezoelectric material when compressing it, and this heat is converted into an electrical voltage at the terminals 46, 47.

Die in dem Energiewandler in Arbeit umgewandelte Wärme wird wiederum durch Wärme von der äußeren Wärmequelle Q ersetzt.The heat converted into work in the energy converter is in turn replaced by heat from the external heat source Q.

Diese Ausführungsform nach Fig. 4 könnte sehr einfach dadurch modifiziert werden, daß das piezoelektrische Material durch ein kapazitives Material mit einer Dielektrizitätskonstante ersetzt würde, die sich mit der Temperatur, wie vorstehend angegeben, oder mit dem Druck ändert, und in diesem Fall würde einer der Anschlüsse, beispielsweise der Anschluß 47 mit der ersten Elektrode eines externen Kondensators verbunden, wobei dessen zweite Elektrode und der Anschluß 46 dann den Arbeitsausgang des Energiewandlers bilden würden.This embodiment of Fig. 4 could be modified very simply by replacing the piezoelectric material with a capacitive material having a dielectric constant that varies with temperature as indicated above or with pressure, in which case one of the terminals, for example terminal 47, would be connected to the first electrode of an external capacitor, the second electrode of which and terminal 46 would then form the working output of the energy converter.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gezeigt, die mehr oder weniger zwei Eigenschaftsmodulatoren 11, 11a der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Art umfaßt, die antiparallel betrieben werden. Beide Eigenschaftsmodulatoren sind mit Energiewandlern 2, 2a verbunden, die miteinander in Serie geschaltet sind. Auf diese Weise kann der Energieausgang der Wärmekraftmaschine vergrößert werden.In Fig. 5, a further embodiment of the heat engine is shown, which more or less comprises two property modulators 11, 11a of the type shown in Figs. 2 to 4, which are operated antiparallel. Both property modulators are connected to energy converters 2, 2a, which are connected in series with one another. In this way, the energy output of the heat engine can be increased.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gezeigt, die zwei Eigenschaftsmodulatoren verwendet, die antiparallel betrieben werden, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 5. Jeder Eigenschaftsmodulator ist mit Ausgangsleitungen 50, 50a und Eingangsleitungen 51, 51a versehen, in denen jeweilige Rückschlagventile 52, 52a bzw. 53, 53a angeordnet sind. Die Ausgangsleitungen 50, 50a sind über die Rückschlagventile 52, 52a mit der Eingangsleitung 61 einer Turbine 60 verbunden, die eine Ausgangsleitung 62 aufweist, die über die Rückschlagventile 53, 53a mit den Eingangsleitungen 51, 51a der Eigenschaftsmodulatoren 11, 11a verbunden ist.In Fig. 6, a further embodiment of the heat engine is shown which uses two property modulators which are operated in anti-parallel, as in the embodiment according to Fig. 5. Each property modulator is provided with output lines 50, 50a and input lines 51, 51a in which respective check valves 52, 52a and 53, 53a are arranged. The output lines 50, 50a are connected via the check valves 52, 52a to the input line 61 of a turbine 60 which has an output line 62 which is connected via the check valves 53, 53a to the input lines 51, 51a of the property modulators 11, 11a.

Das erste Arbeitsmedium in den Eigenschaftsmodulatoren wird beim Kompressionshub der jeweiligen Eigenschaftsmodulatoren 11, 11a komprimiert, strömt durch die Turbine 60 und kehrt zu dem jeweiligen Eigenschaftsmodulator 11, 11a zurück, der zu diesem Zeitpunkt seinen Expansionshub ausführt. Auch hierbei wird in der Turbine 60 in Arbeit umgewandelte und nicht zum jeweiligen einen Expansionshub ausführenden Eigenschaftsmodulator zurückgeführte Wärme durch Wärme von der äußeren Wärmequelle Q ersetzt.The first working medium in the property modulators is compressed during the compression stroke of the respective property modulators 11, 11a, flows through the turbine 60 and returns to the respective property modulator 11, 11a, which is executing its expansion stroke at this time. Here too, heat converted into work in the turbine 60 and not returned to the respective property modulator executing an expansion stroke is replaced by heat from the external heat source Q.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Wärmekraftmaschine gezeigt. Diese Wärmekraftmaschine umfaßt eine Turbine 80, die deren Energiewandler bildet, wobei das Ausgangsende der Turbine über einen Kanal 81 direkt mit einem Kompressor 82 verbunden ist, der den Eigenschaftsmodulator bildet. Der Ausgang des Kompressors 83 wird über einen Kanal 84 zum Eingangsende derTurbine zurückgeführt. Die Rotorwellen des Kompressors 82 und der Turbine 80 sind miteinander verbunden und bilden den Arbeitsausgang von einer Welle 83.In Fig. 7, another embodiment of the heat engine is shown. This heat engine comprises a turbine 80, which forms its energy converter, the output end of the turbine being connected via a channel 81 directly to a compressor 82, which forms the property modulator. The output of the compressor 83 is returned via a channel 84 to the input end of the turbine. The rotor shafts of the compressor 82 and the turbine 80 are connected to one another and form the working output of a shaft 83.

Wärme Q wird der Turbine 80 und dem Kompressor 82 kontinuierlich dadurch zugeführt, daß diese Wärme den Turinenstatorschaufeln 87 zugeführt wird, die mit dessen Rotorschaufeln 88 zusammenwirken. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, sind auch die Statorschaufeln des Kompressors mit Wärmeübertragungs-Eingangseinrichtungen ähnlich denen des Turbinenabschnittes versehen. Auf diese Weise wird Wärme der Wärmekraftmaschine während der Kompressions- und Expansionsprozesse des einzigen Arbeitssubstanzzyklus zugeführt.Heat Q is continuously supplied to the turbine 80 and compressor 82 by supplying this heat to the turbine stator blades 87 which cooperate with its rotor blades 88. Although not shown in the drawings, the compressor stator blades are also provided with heat transfer input means similar to those of the turbine section. In this way, heat is supplied to the heat engine during the compression and expansion processes of the single working substance cycle.

Die Statorschaufeln 87 können mit irgendeiner geeigneten Wärmequelle in Berührung stehen, oder sie können einzeln über irgendwelche Wärmeüberführungseinrichtungen erhitzt werden.The stator blades 87 may be in contact with any suitable heat source, or they may be individually heated via any heat transfer means.

Zum Starten der Wärmekraftmaschine kann eine unter Druck stehende Arbeitssubstanz über den Kanal 85 in den Einlaß der Turbine 80 eingeleitet werden.To start the heat engine, a pressurized working substance can be introduced into the inlet of the turbine 80 via the channel 85.

Claims

1. Heat engine (H) with a heat input from an external heat input device (10), with a first working medium that works in a closed cycle, and with a work output device (20) to the environment,

wherein the first working medium is cyclically compressed and expanded in a first subsystem (12-15) that forms a property modulator (19), whereby at least one of the properties of the first working medium is cyclically changed, i.e. the pressure, the temperature and the volume,

wherein the property modulator (1) is connected to a second subsystem (22,23,24) which forms an energy converter (2) in which the change in at least one property of the first working medium of the property modulator (1) causes a corresponding change in a property of a working substance (22,23) of the energy converter (2),

The property modulator also has the following parts:

a) an internal work transfer device (3,4;12-16) which acts as a work transfer input device for compressing the first working medium during the first part of a cycle and as a work transfer output device for expanding the first working medium during the second part of the cycle, the sum of the mechanical work transfer input and output over the cycle, neglecting friction losses, being zero,

b) the external heat input device (10),

c) heat transfer devices which transfer heat from the property modulator (1) to the energy converter (2) during the first part of the cycle and transfer the heat from the energy converter (2) to the property modulator (1) during the second part of the cycle, thereby causing a change in the property of the working substance of the energy converter,

wherein the energy converter (2) includes means (22-29) for converting the change in the property of the working substance of the energy converter (2) into work which is supplied to the work output means (20).

2. Heat engine according to claim 1, characterized in that the cyclically changed property of the working substance of the energy converter is its temperature.

3. Heat engine according to claim 2, characterized in that the working substance is formed by at least one thermoelectric element (22-24), one connection point (23) of which is exposed to the cyclically changing temperature of the first working medium of the property modulator (1), while the other connection point (24) of the thermoelectric element is enclosed in an adiabatic container (25), the outlet (26, 27) of the thermoelectric element forming the working outlet of the heat engine.

4. Heat engine according to claim 2, characterized in that the energy converter has a magnetic circuit (32-37) which includes a section (33) forming the working substance, the working substance having a magnetic induction which changes with temperature and the magnetic circuit is surrounded by a winding (34) whose connections (36, 37) form the working output device.

5. Heat engine according to claim 2, characterized in that the working substance is the dielectric of at least one charged capacitor, that the working substance has a dielectric constant that changes with temperature, that a second charged capacitor with a dielectric constant that is relatively stable at changing temperatures is provided, that a first electrode of the first and second capacitors is connected to one another, while the second electrodes of the first and second capacitors form the working output device.

6. Heat engine according to claim 1, characterized in that the cyclically changed property of the working substance of the energy converter is its pressure.

7. Heat engine according to claim 6, characterized in that the working substance of the energy converter is piezoelectric material (43) which is exposed to the cyclically changing pressure of the working medium of the property modulator (1).

8. Heat engine according to claim 6, characterized in that the working substance of the energy converter is magnetic material (33) with a magnetic induction that changes with the pressure, the working substance of the energy converter being exposed to the cyclically changing pressure of the working medium.

9. Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the heat engine comprises two anti-parallel operated property modulators (11, 11a), that a property of the working medium of each of the property modulators is changed at a predetermined time in the first property modulator in a first direction and in the second property modulator in the opposite direction, while at a second time the property of the working medium of each property modulator is changed in the opposite direction to the first time, and that each property modulator is connected to its respective energy converter.

10. A heat engine according to any preceding claim, characterized in that each property modulator includes a piston (12) operating in a cylinder (14) to compress and expand the first working fluid.

11. Heat engine according to claim 1 or 2, characterized in that the property modulator comprises a compressor (82), while the energy converter comprises a turbine (80), the outflow of which is connected to the inlet of the compressor and that the outlet of the compressor is connected to the inlet of the turbine, the stator blades (87) of both the turbine (80) and the compressor (82) being supplied with heat from an external heat source.